(57)【要約】 【解決課題】  熱によるクラック発生等の破損がなく、半導体素子を正確な位置に搭載することができるヒートシンク及びその製造方法を提供する。【解決手段】  本発明は、半導体素子が実装される搭載チップが放熱体に埋設されてなるヒートシンクであって、搭載チップは、その側面が前記放熱体と非接合状態で埋設されており、かつ、搭載チップの上面と放熱体の上面とが略同一平面を構成しているヒートシンクである。本発明に係るヒートシンクは、搭載チップを放熱体へ固定後、搭載チップをヘッダー加工により押圧し放熱体に埋設させ、搭載チップの上面と放熱体の上面とが同一平面となるようにして製造することが好ましい。【選択図】  図１
2006269713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が実装される搭載チップが放熱体に埋設されてなるヒートシンクであって、
前記搭載チップは、その側面全体が前記放熱体と密接状態であると共に、その上面が放熱体の上面と略同一平面を構成するように埋設されており、かつ、その底面にろう材層が積層されているヒートシンク。
【請求項２】
搭載チップは、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｍｏ、Ｗからなる請求項１記載のヒートシンク。
【請求項３】
搭載チップは、Ｍｏ又はＷの上面及び／又は底面にＣｕ又はＣｕ合金が積層された２層又は３層構造を有する請求項１記載のヒートシンク。
【請求項４】
Ｃｕ合金は、Ｍｏ−１５〜３０質量％Ｃｕ合金、Ｗ−１５〜３０質量％Ｃｕ合金である請求項３記載のヒートシンク。
【請求項５】
放熱体は、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｇ、Ａｇ合金のいずれかよりなる請求項1〜請求項４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項６】
搭載チップ及び放熱体の上面に酸化防止層が形成されている請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項７】
酸化防止層は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ａｕのいずれかよりなる請求項６記載のヒートシンク。
【請求項８】
ろう材は、Ａｇろうである請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか1項に記載のヒートシンクの製造方法であって、
搭載チップを放熱体へろう付けした後、前記搭載チップを上面から垂直方向へヘッダー加工で押圧することにより搭載チップを放熱体に埋設させ、搭載チップの上面と放熱体の上面とが同一平面となるようにするヒートシンクの製造方法。
【請求項１０】
搭載チップを埋設した後、酸化防止層を形成する請求項９記載のヒートシンクの製造方法。
【請求項１１】
酸化防止層を湿式めっき法により形成する請求項1０記載のヒートシンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体素子を実装するためのヒートシンク、特に発熱量が大きなパワー素子用のヒートシンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置においては、半導体素子から発生する熱によって半導体素子と放熱体との接合界面に亀裂やはく離等の欠陥が発生し、デバイス特性を劣化させるという問題がある。そこで、半導体素子から発生した熱を外部に放散させるため、ヒートシンクが従来から用いられている。このヒートシンクとしては、半導体素子に近似した熱膨張特性をもつＭｏやＷの他、Ｃｕ、Ａｇを含浸させたＭｏ、Ｗ焼結体等からなる搭載チップを、Ｃｕ、Ｃｕ合金等からなる放熱体にろう付けしたものが用いられている。また、かかるヒートシンクで使用される搭載チップは、Ｍｏ、Ｗが放熱性の点で十分でないことから、熱伝導率が高く良好な熱放散特性をもつＣｕやＡｇが片面または両面にクラッド接合されたＭｏやＷの積層体からなるものが利用されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平４−２３００６３号公報
【０００３】
近年、半導体装置の集積化技術の進歩が著しく、それに伴って半導体素子の大型化・高密度化が進められ、半導体素子で発生する熱量も増加している。そのため半導体素子を搭載する放熱体材料に対しても半導体素子で発生した熱量をより効率よく外部に放散させることが必要になってきた。
【０００４】
そこで放熱効果を大きくするため、特許文献２で例示されるようなＭｏ等からなる搭載チップをＣｕ等からなる放熱体に密に直接接合した構造が提案されている。また、特許文献３では放熱体に凹部を形成し、これに搭載チップを充填・接合させる構造も提案されている。
【特許文献２】特開平８−１８６２０４号公報
【特許文献３】特開２００３−６０１４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２記載の構造では、搭載チップと放熱体とが一体となって熱膨張と熱収縮を繰り返すため、ヒートシンク全体のそりやクラックがかえって発生しやすくなり、搭載チップと放熱体との接合界面で破損しやすくなる。また、特許文献３記載の構造においては、放熱体の凹部と搭載チップを接合するためにろう付けする際、ろう付け中に搭載チップがろう中に浮いた状態になり、所定位置にろう付けされない、又は、傾いた状態でろう付けされることがあり、その後に搭載する半導体素子の位置づれ、傾きが生じるおそれがある。この場合、ＬＥＤ等の光学素子を搭載した場合、正確な位置へ光を射出又は反射させることができない。
【０００６】
本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、半導体素子からの熱によるクラック発生等の破損がなく、また、半導体素子を正確な位置に搭載可能なヒートシンクを提供することを目的とする。また、本発明では、かかるヒートシンクを効率よく製造することができる方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は上記の課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。即ち、本発明は、半導体素子が実装される搭載チップが放熱体に埋設されてなるヒートシンクであって、前記搭載チップは、その側面全体が前記放熱体と密接状態であると共に、その上面が放熱体の上面と略同一平面を構成するように埋設されており、かつ、その底面にろう材層が積層されているヒートシンクである。
【０００８】
本発明では、半導体素子への搭載チップの接合面を平坦にしたことによって、半導体素子で発生した熱量をばらつきなく確実に搭載チップへ伝達できる。また、搭載チップの接合面を放熱体と同一の平面にしたことによって接触面積が増え、搭載チップに伝達された熱量を搭載チップの内側面から放熱体の外側面へ効率よく均等に放散させることができる。そして、搭載チップの側面全体と放熱体とは密接状態にはあるが、接合されていないので熱膨脹・収縮に対してそれぞれ独立して伸縮みし、搭載チップと放熱体とのろう付け面でクラック等が生じることもなく、搭載チップの側面が放熱体から剥がれて歪むこともない。ここで、密接状態とは、搭載チップの側面全体と放熱体とが、ろう付け、溶接、圧接、拡散接合等の接合手段で一体的になっているのではなく、明確な境界を有し分離可能な状態であること示すものである。
【０００９】
本発明において搭載チップの材質としては、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｍｏ、Ｗの適用が好ましい。また、搭載チップは前記材質の単層構造のものでも良いが、複数の材質を積層させた２層、３層構造としても良い。この場合、好ましいのは、Ｍｏ又はＷの上面及び／又は底面にＣｕ又はＣｕ合金が積層された２層又は３層構造を有するものが好ましい。ＭｏやＷは放熱体へのろう付けが困難となり、接合強度が弱い場合があるからである。また、この場合の銅合金は、Ｍｏ−１５〜３０質量％Ｃｕ合金、Ｗ−１５〜３０質量％Ｃｕ合金を用いるのが好ましい。そして、接合強度の観点から好ましい搭載チップは、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの3層積層体である。
【００１０】
一方、放熱体は、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｇ、Ａｇ合金のいずれかよりなるものが好ましい。加工硬化することなくＭｏ等の搭載チップを確実に埋め込むことができ、かつ、放熱特性が優れているからである。また、放熱体の材質は、搭載チップの積層体素材と同一のものを用いるのが、熱衝撃を和らげるためより好ましい。
【００１１】
本発明に係るヒートシンクでは、搭載チップ及び放熱体の上面に酸化防止層が形成されているものが好ましい。これにより半導体素子が剥がれ難くなり、発熱時の搭載チップの酸化を防止することができる。また、酸化防止層を備えることで、搭載チップの側面と放熱体とがそれぞれ独立して伸縮した場合であっても、それらの伸縮の差を吸収することができる。
【００１２】
この酸化防止層は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ａｕのいずれかよりなるものが好ましく、特にＮｉが好ましい。また、複数の金属を多層で組み合わせても良い。酸化防止層は湿式めっきにより形成されるものが好ましい。
【００１３】
尚、本発明においては、搭載チップの側面全体と放熱体とが接合されずに密接状態であるが、底部については接合されていることが好ましい。この場合、搭載チップの底面にろう材層が積層されていることが好ましい。ろう材としてはＡｇろうが好ましい。
【００１４】
本発明に係るヒートシンクの製造方法としては、搭載チップを放熱体へろう付けした後、前記搭載チップを上面から垂直方向へ押圧することにより搭載チップを放熱体に埋設させ、搭載チップの上面と放熱体の上面とが同一平面となるようにする。搭載チップは予めろう付けにより放熱体へ固定することを要する。加工時の位置づれを防止するためである。ろう材はＡｇろう付けが好ましい。
【００１５】
そして、搭載チップの埋設は、ヘッダー加工による。ヘッダー加工とは、加工対象（放熱体）の外周面を金型等で拘束しつつ、その上面及び／又は下面を押圧・圧縮することにより、加工対象上の突出する部分（搭載チップ）を加工対象内部へ埋没させる加工をいう。このヘッダー加工はプレス加工に類似するが、放熱体の外側面をヘッダー金型で拘束することにより、搭載チップの側面がより均等に放熱体（の内部）に接した状態で埋没させることができる。また、垂直方向から同心状に確実に据えこむことができるので、放熱体に対する搭載チップの中心位置がずれることもない。特に、搭載チップが円柱体である場合にはより高い寸法精度をもつヒートシンクがを製造することができる。
【００１６】
また、上記した酸化防止層を有するヒートシンクは、ヘッダー加工にて搭載チップを放熱体に埋設した後、酸化防止層を形成する。この酸化防止層の形成は、湿式めっき法によるのが好ましい。簡易に均一な膜厚の酸化防止層を形成することができるからである。酸化防止層の材質については上記のものが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように本発明によれば、搭載チップと放熱体とがそれぞれ独立して熱膨張、熱収縮することができ、ヒートシンクの破損を防止することができる。また、本発明では、搭載チップの半導体素子への接合面を平坦にし、放熱体と同一の平面にすることによって半導体素子で発生した熱量をばらつきなく確実に搭載チップへ伝達でき、更に、搭載チップに伝達された熱を放熱体の外側面へ効率よく均等に放散させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明を実施例により説明する。本実施形態におけるヒートシンクの製造工程の概略を図１に示した。
【００１９】
実施例１：厚さ５μｍのＣｕ箔を両面にクラッドしたＭｏテープ（幅２ｍｍ、厚さ1００μｍ）を直径１．５ｍｍの円板状に打抜いて、搭載チップ素材を作製した。また、直径４ｍｍのＣｕ線を４ｍｍに切断して放熱体を作製した。そして、搭載チップ素材が放熱体の中心部に位置するようにセットし、Ａｇろう材（Ａｇ−２５質量％Ｃｕ−５％Ｉｎ合金：厚さ1０μｍ）を介して8００℃で炉中ろう付けした。このヒートシンク素材を搭載チップの上方からヘッダーで圧縮成型加工を施し、外径６ｍｍで長さ１．８ｍｍのヒートシンクを得た。同様の操作を繰り返しヒートシンクを1０００個作製した。
【００２０】
このヒートシンクのばらつきは全長が０．０２ｍｍ以下であった。また、このヒートシンクを整列して搭載チップ側から蛍光灯で照らして外観検査したところ全数が鏡面光沢をしていた。
【００２１】
実施例２：上記実施例１で製造したヒートシンク5００個を酸性光沢Ｎｉめっき浴でバレルによる電気めっきをし、厚さ５μｍのＮｉが被覆されたヒートシンクを得た。
【００２２】
このヒートシンクのばらつきは上記と同等であった。また、このヒートシンクを整列して搭載チップ側から蛍光灯で照らして面色差計（日本電色工業株式会社製の型式ＶＳＲ−３００Ａ）で外観検査したところ全数が同等の光沢をしていた。
【００２３】
実施例３：厚さ３μｍのＣｕ箔を両面にクラッドしたＭｏテープ（幅２．５ｍｍ、厚さ６０μｍ）を長さ２ｍｍに切断して、搭載チップを作製した。また、直径５ｍｍのＣｕ線を1０ｍｍに切断し手放熱体を製造した。そして、搭載チップが放熱体の中央部に位置するようにセットし、Ａｇろう材（Ａｇ-２５質量％Ｃｕ-５％Ｉｎ合金  厚さ1０μｍ）を介して8００℃で炉中ろう付けした。このヒートシンク素材を搭載チップの上方からヘッダーで圧縮成型加工を施し、外径1０ｍｍで長さ４ｍｍのヒートシンクを得た。同様の操作でヒートシンクを5００個作製した。
【００２４】
このヒートシンクのばらつきは全長が０.０５ｍｍ以下であった。また、このヒートシンクを整列して搭載チップ側から蛍光灯で照らして面色差計（日本電色工業株式会社製の型式ＶＳＲ−３００Ａ）で外観検査したところ全数が鏡面光沢をしていた。
【００２５】
実施例４：実施例３で製造したヒートシンク5００個を酸性光沢Ｎｉめっき浴及び酸性Ａｕめっき浴でバレルによる電気めっきを、それぞれ５μｍ、２μｍの膜厚でめっきし、Ｎｉ表面がＡｕで被覆された総厚７μｍの酸化防止層を有するヒートシンクを得た。
【００２６】
このヒートシンクのばらつきは全長が０.０５ｍｍ以下であった。また、このヒートシンクを整列して搭載チップ側から蛍光灯で照らして面色差計（日本電色工業株式会社製の型式ＶＳＲ−３００Ａ）で外観検査したところ全数が鏡面光沢をしていた。
【００２７】
次に、このヒートシンク1０個につき熱衝撃試験を行った。熱衝撃試験はホットプレート上で4００℃×3０分−３０℃×3０分の過熱・冷却をそれぞれ2０回ずつ繰り返したのち、搭載チップ側から蛍光灯で照らして実体顕微鏡（3０倍）で外観検査した。この試験の結果、搭載チップのクラックの発生は皆無であった。
【００２８】
比較例1：直径４ｍｍのＣｕ線を４ｍｍに切断した放熱体素材の中心部に、あらかじめ直径１．５ｍｍで深さ2０μｍの凹部を形成した。この凹部へ実施例１と同じＡｇろう材を挿入した後、実施例１と同様の搭載チップを載せ、8００℃で炉中ろう付けしてヒートシンクを製造した。同様の操作で1０００個のヒートシンクを作製した。
【００２９】
このヒートシンクのうち搭載チップの放熱体上面からの高さのばらつきをダイヤルゲージで測定したところ、０.０５ｍｍ〜０.１ｍｍばらついたものが６００個以上あった。また、このヒートシンクを整列して搭載チップ側から蛍光灯で照らして外観検査したところ、１４個のヒートシンクにおいて搭載チップ上面へＡｇろうが流れ出していた。
【００３０】
以上の結果に関し、まず、実施例１と比較例とを対比すると、比較例１では、搭載チップの接合位置にばらつきが生じていた。これは、放熱体に凹部を形成し、ろう材を充填した後に搭載チップを接合する比較例では、ろう材溶融時に搭載チップが浮いた状態になっていることによる。また、同様の理由により比較例では、ろう材が搭載チップ上面に流れ出ている。これに対し、実施例１、２では、搭載チップ底部の接合のみでろう付けし、その後はヘッダー加工で搭載チップを埋設しているため、均一な加工がなさればらつきが生じ難くなっている。
【００３１】
また、実施例３の熱衝撃試験の結果において、実施例に係るヒートシンクは熱衝撃を受けても割れの発生がなかった。これは、搭載チップ側面が非接合状態で放熱体と接しているため、搭載チップが放熱体に拘束されることなく熱膨張・収縮するためによると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本実施形態におけるヒートシンクの製造工程を概略説明する図。
【図１】
2006269713.tif 000003